Den otroliga krympande motorn

Följande artikel visas i mars/april numret 2007 av Teknikgranskning.

På MIT:s Sloan Automotive Laboratory står Daniel Cohn (bilden ovan) bakom en motor utrustad med testinstrument (i gult) och ett insprutningssystem som sprutar bränsle direkt in i motorns förbränningskammare.

För Daniel Cohn, en senior forskare vid MIT:s Plasma Science and Fusion Center, är den hundraåriga förbränningsmotorn fortfarande en inspirationskälla. När han kliver förbi maskineriet och testutrustningen i MIT Sloan Automotive Laboratory, tappar hans vanligtvis reserverade uppträdande. En motor av den här storleken, säger han och påpekar att en 2,4-liters bensinmotor på 2,4 liter i medelstor storlek skulle vara en raket med vår teknik.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2007

• Se resten av frågan
• Prenumerera

För att förklara den tekniken visar han upp en turboladdare som kunde skruvas fast i 2,4-litersmotorn; motorn, tillägger han, använder direkt bränsleinsprutning snarare än den portinsprutning som för närvarande finns i de flesta bilar. Både turboladdning och direktinsprutning är redan existerande teknologier, och ingen av dem ser särskilt imponerande ut. Om de används separat skulle de faktiskt endast leda till marginella förbättringar av prestandan hos en förbränningsmotor. Men genom att kombinera dem och utöka dem med ett nytt sätt att använda en liten mängd etanol, har Cohn och hans kollegor skapat en design som de tror kan tredubbla kraften hos en testmotor, ett framsteg som skulle kunna göra det möjligt för biltillverkare att konvertera små motorer designad för ekonomibilar till muskulösa motorer med mer än tillräckligt med kraft för stadsjeepar eller sportbilar. Genom att utvinna bättre prestanda från mindre, mer effektiva motorer kan tekniken leda till fordon vars bränsleekonomi kan konkurrera med hybrider, som använder både en elmotor och en bensinmotor. Och den bränsleeffektiviteten kan komma till en bråkdel av kostnaden.

Cohn säger att hans kollegor – Leslie Bromberg, en ledande forskare vid Plasma Science and Fusion Center, och John Heywood, professor i maskinteknik och chef för Sloan Auto Lab – övervägde många sätt att göra förbränningsmotorer mer effektiva. Och sedan, efter mycket diskussion, slog det oss en dag, minns Cohn. Nyckeln till MIT-forskarnas system, förklarar han, var att övervinna ett problem som kallas knock, vilket har allvarligt begränsat ansträngningarna att öka motorns vridmoment och kraft.

Multimedia

• Se en demo av den nya motordesignen byggd av Daniel Cohn.

I gasmotorer rör sig en kolv in i en cylinder och komprimerar en blandning av luft och bränsle som sedan antänds av en gnista. Explosionen tvingar ut kolven igen. Ett sätt att få ut mer kraft ur en motor är att designa kolven så att den går längre för varje slag. Ju längre den färdas, desto mer komprimerar den luft-bränsleblandningen, och desto mer mekanisk energi skördar den från explosionen när den drar sig tillbaka. Sammantaget kommer högre kompression att leda till en effektivare motor och mer kraft per slag. Men att öka trycket för mycket gör att bränslet värms upp och exploderar oberoende av gnistan, vilket leder till dåligt tidsinställd tändning. Det är knackning, och det kan skada motorn.

För att undvika knackning måste motorkonstruktörer begränsa i vilken utsträckning kolven komprimerar bränslet och luften i cylindern. De måste också begränsa användningen av turboladdning, där en avgasdriven turbin komprimerar luften innan den kommer in i förbränningskammaren, vilket ökar mängden syre i kammaren så att mer bränsle kan förbrännas per slag. Att slå på en bils turboladdare kommer att ge en extra boost när bilen accelererar eller klättrar i backar. Men för mycket turboladdning, som för mycket kompression, leder till knackning.

Ett alternativt sätt att förhindra knackning är att använda ett annat bränsle än bensin; även om bensin packar en stor mängd energi i en liten volym, motstår andra bränslen, såsom etanol, slag mycket bättre. Men ett fordon som använder etanol får färre miles per gallon än ett fordon som använder bensin, eftersom dess bränsle har en lägre energitäthet. Cohn och hans kollegor säger att de har hittat ett sätt att använda båda bränslena som drar fördel av var och ens styrkor samtidigt som de undviker dess svagheter.

MIT-forskarna fokuserade på en nyckelegenskap hos etanol: när den förångas har den en uttalad kylande effekt, ungefär som att gnugga alkohol som avdunstar från huden. Ökad turboladdning och cylinderkompression höjer temperaturen i cylindern, varför de leder till knackningar. Men Cohn och hans kollegor fann att om etanol introduceras i förbränningskammaren i precis rätt ögonblick genom den relativt nya tekniken för direktinsprutning, håller det temperaturen nere och förhindrar spontan förbränning. Liknande tillvägagångssätt, av vilka några använde vatten för att kyla cylindern, hade prövats tidigare. Men kombinationen av direktinsprutning och etanol, säger Cohn, hade mycket mer dramatiska resultat.

Forskarna utarbetade ett system där bensin skulle sprutas in i förbränningskammaren på konventionellt sätt. Etanol skulle förvaras i sin egen tank eller fack och skulle införas genom ett separat direktinsprutningssystem. Etanolen skulle behöva fyllas på bara en gång varannan månad, ungefär lika ofta som oljan byts. Ett fordon som använde detta tillvägagångssätt skulle fungera cirka 25 procent mer effektivt än ett fordon med en konventionell motor.

En turboladdare och ett direktinsprutningssystem skulle öka kostnaden för en motor, liksom att stärka dess väggar för att möjliggöra en högre nivå av turboladdning. De extra utrustningskostnaderna skulle dock delvis kompenseras av de minskade kostnaderna för att tillverka en mindre motor. Totalt skulle en motor utrustad med den nya tekniken kosta cirka 1 000 till 1 500 $ mer än en konventionell motor. Hybridsystem, som är dyra eftersom de kräver både en förbränningsmotor och en elmotor som drivs av batterier, lägger till $3 000 till $5 000 till kostnaden för ett litet till medelstort fordon - och ännu mer till kostnaden för ett större fordon.

När MIT-gruppen först kläckte sin idé skapade Bromberg en detaljerad datormodell för att uppskatta effekten av att använda etanol för att möjliggöra mer turboladdning och cylinderkompression. Modellen visade att tekniken avsevärt kunde öka den knackningsfria motorns vridmoment och hästkrafter. Efterföljande tester av Ford har visat resultat som överensstämmer med MIT-datormodellens förutsägelser. Och eftersom det nya systemet skulle kräva relativt små modifieringar av befintlig teknik kan det snart vara klart. Ethanol Boosting Systems, ett företag som forskarna har startat i Cambridge, MA, arbetar med att kommersialisera tekniken. Cohn säger att med ett aggressivt utvecklingsprogram kan designen finnas i produktionsfordon redan 2011.

Medan Cohn applåderar fördelarna med hybrider och säger att hans teknologi kan användas för att förbättra dem också, noterar han att populariteten för hybridteknologi fortfarande begränsas av dess kostnad. Billigare teknik kommer att antas snabbare, föreslår han, och kommer därmed att minska bensinförbrukningen snabbare. Det är mycket mer användbart, säger han, att ha en motor som många kommer att köpa.

Dölj